Vorteile von Präzisions-Kühlschmierstoff bei der Bearbeitung von Materialien für die Luftfahrt

Die Aufgabe von Kühlschmierstoffen bei der Bearbeitung von Luftfahrtkomponenten hat eine gewisse Entwicklung durchlaufen. In den Fertigungen wird seit vielen Jahren Kühlmittel in Leitrohren verwendet, die den Bearbeitungsbereich überfluten, insbesondere bei Werkstoffen, die mit Kühlschmierstoff zu bearbeitet werden müssen. Durch das präzise Einbringen von Kühlmittel in die Bearbeitungszone ergeben sich jedoch neue Vorteile. Ein breiter Zugang zu dieser Technologie wurde durch die höhere Kühlmittelzufuhrkapazität vieler CNC-Maschinen sowie durch neue Werkzeugkonzepte ermöglicht.

Dies macht den Unterschied

Wenn Kühlmittel effektiv und wirkungsvoll angewendet werden soll, muss er als Strahl mit hoher Präzision, in ausreichender Menge und richtiger Ausrichtung eingesetzt werden. Es reicht nicht aus, lediglich einen Kühlschmierstoffstrom einzusetzen oder den Bearbeitungsbereich mit Kühlmittel zu fluten. Der zielgerichtete Einsatz von Hochpräzisions-Kühlschmierstoff kann hingegen einen deutlichen Unterschied machen:

• Spanbildung,
• Wärmeverteilung,
• Werkstoffadhäsion an der Schneidkante,
• Oberflächenqualität,
• Werkzeugverschleiß.

Diese grundlegenden Bearbeitungsfaktoren haben wiederum eine Auswirkung auf die zu optimierenden Faktoren, um so einen Wettbewerbsvorsprung zu erzielen:

• Produktivität,
• Standzeit,
• Spankontrolle und Späneabfuhr,
• Bauteilqualität.

Bei richtiger Anwendung maximiert Präzisions-Kühlschmierstoff die Produktivität, erhöht die Prozesssicherheit und verbessert die Werkzeugperformance und die Bauteilqualität. Die positiven Auswirkungen beginnen bereits bei niedrigem Kühlmitteldruck. Bei höheren Drücken lassen sich auch anspruchsvollere Werkstoffe erfolgreich bearbeiten.

Der Einsatz von Präzisionskühlung ist bei der Bearbeitung von rostfreien und kohlenstoffarmen Stählen von entscheidender Bedeutung. Aber gerade in der Praxis - wie bei der Zerspanung von anspruchsvolleren Werkstoffen, wie warmfesten Superlegierungen und Titanlegierungen - spielt dies eine wichtige Rolle. Folglich ist durch eine Reihe von Entwicklungen in jüngster Zeit der Einsatz von Präzisionskühlung interessanter und leichter verfügbar geworden.

Jetbreak als Vorreiter des Konzepts

In den 80er und 90er Jahren entwickelte Sandvik Coromant die erste Version von Jetbreak, einem Hochdruck-Kühlschmierstoffsystem. Auf der Grundlage von Forschungsarbeiten wurde ein präzise gerichteter Kühlschmierstoffstrahl bis hin zum Ultrahochdruck (100-1000 bar) bei Schneidwerkzeugen für die Bearbeitung von Werkstoffen eingeführt, die hohe Anforderungen an die Bearbeitbarkeit und Spankontrolle stellen. Durch den Hochdruck wurde ein hydraulischer Keil zwischen Span und Schneidkante gebildet.Die Kontaktlänge wurde durch eine Absenkung der Temperatur an der Bearbeitungszone verkürzt. Ein weiteres interessantes Ergebnis war die Beeinflussung der Spankrümmung. Dies verbesserte Spankontrolle und führte in einigen Fällen sogar zum Bruch des Spans.
Für eine Reihe von Sonderwerkzeuganwendungen wurde Jetbreak zu einer effektiven Lösung für die Bearbeitung von Werkstoffen mit schlechter Zerspanbarkeit und/oder störenden Spänen. Es wurden viele Erfahrungen über den Einfluss der Druckverteilung des Kühlschmierstoffs und die Größe der Kühlmitteldüsen gesammelt. Durch Variation der Strahldaten wurde ein variabler Spanformer erzielt, mit dem Wirrspäne in eine gewünschte Richtung geleitet und die Spanlänge verbessert werden konnten. Die Anlagen kamen in begrenztem Umfang zur Lösung von Problemen insbesondere in der Öl-, Luftfahrt- sowie der Kugellagerindustrie zum Einsatz. Jetbreak erforderte jedoch eine spezielle Installation mit speziellen Werkzeughaltern und wurde hauptsächlich in Vertikaldrehmaschinen eingesetzt.

Hochpräziser Kühlschmierstoff als Standard

Viele moderne CNC-Maschinen verfügen standardmäßig oder optional mit leistungsfähigen Tanks und Pumpen über Kühlmittelzufuhr mit Drücken von 70 bis 100 bar. Dies reicht aus, um Präzisions-Kühlschmierstoff einzusetzen, der die Leistung und die Ergebnisse auf den am häufigsten verwendeten Bearbeitungszentren, Drehzentren, Vertikaldrehmaschinen und Multitask-Maschinen deutlich verbessert. Es genügt eine Standardausrüstung, da der Kühlschmierstoff leicht an die Stelle geleitet werden kann, an der der Strahl eingesetzt wird.
Eine wesentliche Grundlage für die hochpräzise Kühlmittelbearbeitung sind modulare Werkzeuge, zum einen um einen schnellen Werkzeugwechsel zur Minimierung von Maschinenstillständen zu gewährleisten, zum anderen aber auch um Kühlmittelverbindungen und -kanäle von der Maschine bis zur Schneidkante effizient zu sichern. Das modulare Schnellwechsel-Werkzeugsystem Coromant Capto® war die Grundlage für die Entwicklung von Jetbreak und ist heute die Basis für neue Standardwerkzeuge mit Hochpräzisionskühlung. Dieses System eignet sich ideal als modulare Plattform mit innerer Kühlschmierstoffzufuhr und auch zur Realisierung einer hochpräzisen Kühlmittelzufuhr. Es ist eine ISO-Norm und eine Option für viele CNC-Maschinen mit stationären und rotierenden Werkzeugen.

Die auf die wirksame Schneide gerichtete obere Präzisionskühlung verbessert die Spankontrolle und die Prozesssicherheit. Die untere Kühlschmierstoffzufuhr erhöht die Standzeit und die Produktivität, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Wärme in der Wendeschneidplatte erzeugen.

Ein Fräser mit Hochpräzisions-Kühlschmierstoff verwendet ein durchgehendes Kühlmittel und ist mit Düsen ausgestattet, die je nach Werkzeugtyp und Einsatzzweck positioniert und ausgerichtet sind. Die Kanäle werden an die Werkzeugmaschine oder eine zusätzliche Pumpenanlage angeschlossen, um Kühlschmierstoff mit einem Druck von etwa 70 bar zuzuführen. Diese Lösung ist heute weit verbreitet, und obwohl der Druck nicht extrem hoch ist, reicht dies für eine deutliche Verbesserung von Leistung und Ergebnissen aus. Das Konzept macht sich eine Ressource zunutze, über die viele Fertigungsunternehmen bereits verfügen oder in die sie für die Zukunft investieren können.

Präzisions-Kühlschmierstoff zum Drehen

Drehwerkzeuge mit Präzisions-Kühlschmierstoff sind so ausgelegt, dass sie einen präzisen Kühlmittelstrahl mit laminarer Parallelströmung abgeben. Die Düsen erzeugen einen hydraulischen Keil zwischen Wendeschneidplatte und Span, der die Spanform und den Spanfluss beeinflusst und die Temperatur in der Bearbeitungszone reduziert. Durch den Einsatz von Düsen, die nahe an der Schneidkante angebracht sind und einen Hochgeschwindigkeitsstrahl präzise ausstoßen, werden die Späne von der Wendeschneidplatte weggedrückt, abgekühlt und in kleinere Stücke gebrochen. Dies verbessert die Spanabfuhr.
Die Vorteile bei der Endbearbeitung wurden auch bei niedrigeren Drücken bis zu 10 bar bei Werkstoffen wie Stahl, rostfreien Stahl, Aluminium sowie Titan und hitzebeständigen Superlegierungen nachgewiesen. Neben der höheren Sicherheit durch die bessere Spankontrolle kann der Präzisions-Kühlschmierstoff eine erhebliche Verbesserung der Standzeit bewirken und es entsteht ein Potenzial für höhere Schnittgeschwindigkeiten. Durch den Einsatz von Präzisions-Kühlschmierstoff lässt sich die Standzeit in vielen Fällen um 50 % steigern.
Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst die Temperatur und damit den Werkzeugverschleiß mehr als jeder andere Faktor. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bei Titan über das begrenzte Zerspanbarkeitsfenster hinaus verringert die Standzeit erheblich. Wenn jedoch der Vorschub in ähnlichem Umfang erhöht wird, ergibt sich meist eine geringere Reduzierung der Standzeit. Diese Vorschubänderungen sind dann häufig eine attraktiven Lösung für höhere Zerspanungsraten und nur geringen Auswirkungen auf die Standzeit. Ein hoher Vorschub ist jedoch bei diesen Maschinen wegen der höheren Schnittkräfte und der Auswirkungen auf die Spankontrolle nicht immer eine Option.

Drehen einer HRSA-Turbinenscheibe. Präzisions-Kühlschmierstoff kann bei der Bearbeitung von ISO S-Werkstoffen eine entscheidende Rolle spielen.

Die Wirkung des Präzisions-Kühlschmierstoffs bietet daher ein Potenzial zur Leistungssteigerung durch höhere Schnittgeschwindigkeiten, ohne dass es zu dem üblichen Temperaturanstieg und einem Verlust an Standzeit kommt. Es entsteht ein deutlicher Kühleffekt ohne höhere Schnittkräfte infolge gesteigerter Vorschübe. Bei Werkstoffen der ISO S-Klassifizierung kann bei gleicher Schnittlänge eine um 20 % höhere Schnittgeschwindigkeit erreicht werden.
Das Innendrehen ist ebenfalls ein Bereich, in dem Präzisionskühlung eine wichtige Rolle einnimmt. Sie gewährleistet eine gute Spanbildung und verbessert die Schereigenschaften bei anspruchsvollen Materialien wie Titan. Auf diese Weise trägt das Konzept zu höherer Prozesssicherheit und längeren Standzeiten bei der Bohrungsbearbeitung bei. Bei der Herstellung relativ großer, tiefer Bohrungen mit Bohrstangen, wie beispielsweise bei Fahrwerkskomponenten, kann der Einsatz modularer Werkzeuge sowohl frontseitig als auch rückseitig von Vorteil sein. Der Austausch des kleinen Schneidkopfs auf der eingespannten Bohrstange, ermöglicht einen schnellen, einfachen und präzisen Wechsel. Dies führt zu einer beträchtlichen Flexibilität für verschiedene Schnitte in einer Aufspannung. CoroTurn SL kombiniert gedämpfte Bohrstangen mit einer gezahnter Schnittstelle für den Einsatz von Schneidköpfen zur Herstellung größerer Bohrungen mit einer Tiefe von 10 x D und verfügt außerdem über eine Präzisions-Kühlschmierstoffvorrichtung.
Schwankungen in der Oberflächenqualität von Bauteilen werden durch die Temperatur und die bei der Bearbeitung auftretenden Kräfte beeinflusst. Kühlschmierstoff trägt entscheidend zur Temperaturkontrolle bei, und es hat sich daher gezeigt, dass Präzisionskühlung ein zuverlässigeres Oberflächenergebnis liefert. Die Werkzeugdüsen sind direkt auf den Teil der Wendeschneidplatte gerichtet, der mit der geschlichteten Oberfläche in Kontakt kommt. Da die Düsen nicht verstellbar sind, werden viele Variablen eliminiert. Dies führt zu einem sicheren und gleichmäßigen Bearbeitungsprozess.

Optimierung der korrekt durchgeführten Maßnahmen

Mit der Möglichkeit, den mit Hochdruck aufgebauten hydraulischen Keil in die Schnittzone zu drücken, insbesondere bei der mittleren Bearbeitung bis zum Fertigdrehen, lässt sich die Spandicke besser kontrollieren und den Hydraulikkeil leichter erzeugen als bei Schruppbearbeitungen.
Der Einsatz von Hochpräzisions-Kühlschmierstoff sollte nicht als Mittel zur Kompensation von Mängeln aufgrund anderer Anwendungsfaktoren, wie nicht geeignete Wendeschneidplatten, Instabilität, falsche Schnittdaten usw., angesehen werden. Präzisions-Kühlschmierstoff eignet sich für Optimierungen, wenn die Arbeitsabläufe richtig eingerichtet wurden. Das Konzept ermöglicht kürzere Zykluszeiten, eine gleichbleibende Bauteilqualität und eine höhere Prozesssicherheit beim Drehen und Fräsen.

Gewindedrehen mit Präzisions-Kühlschmierstoff.

Die Notwendigkeit, verschiedene Bearbeitungsvorgänge zu optimieren, insbesondere wenn die Spanbildung und die Auswirkungen anspruchsvoller Materialien im Vordergrund stehen, macht Präzisions-Kühlschmierstoff zu einer attraktiven Option. Der zunehmende Einsatz von Multitask-Maschinen und der neuen Generation von Vertikaldrehmaschinen hat die Vorteile der Bearbeitung mit Präzisions-Kühlschmierstoff deutlich gemacht, insbesondere aus Sicht der Spankontrolle. Die Beeinträchtigung durch Spänestau ist kritisch, da diese Maschinen in zunehmendem Maße in Fertigungsbetrieben eingesetzt werden, die Bauteile Luftfahrtkomponenten aus anspruchsvollen Werkstoffen herstellen.